Кіріспе

Математикалық кеңістік жақындық ұғымымен – математикада топологиялық кеңістік, шамамен айтқанда, жақындық анықталатын, бірақ міндетті түрде сандық қашықтықпен өлшенбейтін геометриялық кеңістік. Нақтырақ айтқанда, топологиялық кеңістік – элементтері нүктелер деп аталатын жиын, және оған қоса, топология деп аталатын қосымша құрылым, ол әр нүкте үшін жақындық ұғымын формалдайтын белгілі бір аксиомаларды қанағаттандыратын шөлмелер жиынтығы ретінде анықталады. Топологияның бірнеше эквивалентті анықтамалары бар, олардың ең көп қолданылатыны – ашық жиынтықтар арқылы берілетін анықтама, оны басқаларына қарағанда қолдану оңай. Топологиялық кеңістік – лимиттерді, үздіксіздікті және байланыстылықты анықтауға мүмкіндік беретін математикалық кеңістіктің ең жалпы түрі. Топологиялық кеңістіктердің кең таралған түрлеріне Евклид кеңістіктері, метрикалық кеңістіктер және манифольдтар жатады. Өте жалпы ұғым болғанымен, топологиялық кеңістіктердің концепциясы маңызды және қазіргі математиканың дерлік барлық саласында қолданылады. Топологиялық кеңістіктерді өздігінен зерттеу нүктелік жиын топологиясы немесе жалпы топология деп аталады.

Тарих

1735 жылы Леонард Эйлер дөңгелек көпбұрыштың (V) төбелерінің, (E) қабырғаларының және (F) жақтарының санын байланыстыратын формуланы, сонымен қатар жазық графты ашты. Осы формуланың зерттелуі және жалпылануы, әсіресе Коши (1789–1857) және Л’Хюлье (1750–1840) еңбектері топологияны зерттеуге серпіліс берді. 1827 жылы Карл Фридрих Гаусс қисық беттердің толық зерттеулерін жариялады, онда 3-бөлімінде қисық бет қазіргі заманғы топологиялық түсінікке ұқсас түрде анықталады: «Қисық беттің А нүктесінде үздіксіз қисықтығы бар делінеді, егер А нүктесінен А-ға шексіз жақын беттің нүктелеріне жүргізілген барлық түзу сызықтардың бағыты А нүктесінен өтетін бір және сол жазықтықтан шексіз аз бұрышпен ауытқыса». Дегенмен, «Риманның 1850-ші жылдардың басындағы жұмысына дейін беттер әрқашан жергілікті тұрғысынан қарастырылды (параметрлік беттер ретінде) және топологиялық мәселелер ешқашан қарастырылмады». Мёбиус және Жордан (жинақталған) беттердің топологиясының басты мәселесі – беттердің эквиваленттігін анықтау үшін инварианттарды (көбінесе сандық) табу екенін бірінші болып түсінгендей. Бұл пән Феликс Клейн өзінің «Эрланген бағдарламасында» (1872) нақты анықталды: кез келген үздіксіз түрлендірудің геометриялық инварианттары, геометрияның бір түрі. «Топология» терминін Иоганн Бенедикт Листинг 1847 жылы енгізді, бірақ ол бұрын қолданылған «Анализ сайты» орнына осы терминді бірнеше жыл бұрын хаттарда қолданған. Бұл ғылымның негізін кез келген өлшемдегі кеңістік үшін Анри Пуанкаре қалады. Осы тақырыптағы алғашқы мақаласы 1894 жылы жарық көрді. 1930 жылдары Джеймс Уодделл Александр II және Хасслер Уитни беттің топологиялық кеңістік екенін, жергілікті жерде Эвклид жазықтығына ұқсас екенін алғаш рет айтты. Топологиялық кеңістіктерді алғаш рет Феликс Хаусдорф 1914 жылы өзінің «Көптік теорияның принциптері» атты маңызды еңбегінде анықтады. Метрикалық кеңістіктер 1906 жылы Морис Фрешемен анықталған, бірақ «метрикалық кеңістік» терминін танымал еткен Хаусдорф болды (metrischer Raum).

Анықтамалар

Топология ұғымының пайдалылығы осы математикалық құрылымның бірнеше эквивалентті анықтамасының болуымен дәлелденеді. Сондықтан, қолданысқа қарай қолайлы аксиоматизация таңдалады. Ең көп қолданылатыны – ашық жиынтар арқылы берілуі, бірақ, ықтимал, көршілес аймақтар арқылы берілуі көбірек түсінікті, сондықтан осы анықтама ең алдымен келтіріледі.

Тұрақты функциялар

Топологиялық кеңістіктер арасындағы функция үздіксіз деп аталады, егер әрбір x нүктесі үшін және оның әрбір маңы үшін, f(x) нүктесінің маңы болса, онда f(y) сол маңда жатады, барлық y-лар үшін, y сол маңда орналасқан. Бұл талдаудағы дәстүрлі анықтамамен оңай байланысты. Балама түрінде, функция үздіксіз болады, егер әрбір ашық жиынның кері бейнесі ашық болса. Бұл функцияда "үзілістер" немесе "бөлшектенулер" болмайды деген түсінікті бейнелеуге бағытталған. Гомеоморфизм – бұл биекция, ол үздіксіз және оның кері функциясы да үздіксіз. Егер екі кеңістік арасында гомеоморфизм болса, онда олар гомеоморфты деп аталады. Топологиялық тұрғысынан алғанда, гомеоморфты кеңістіктер мәні жағынан бірдей. Категориялар теориясындағы негізгі санаттардың бірі – Top, ол топологиялық кеңістіктер санатын білдіреді, ондағы объектілер – топологиялық кеңістіктер, ал морфизмдер – үздіксіз функциялар. Осы санаттағы объектілерді инварианттар арқылы жіктеу (гомеоморфизмге дейін) гомотопия теориясы, гомология теориясы және К-теориясы сияқты зерттеу салаларын дамытуға себеп болды.

Топологиялық кеңістік үлгілері

Берілген жиынның көптеген түрлі топологиялары болуы мүмкін. Егер жиынға басқа топология берілсе, ол басқа топологиялық кеңістік ретінде қарастырылады. Кез келген жиынға дискретті топология берілуі мүмкін, онда кез келген ішкі жиын ашық болады. Осы топологиядағы барлық конвергентті тізбектер немесе торлар ақырында тұрақты болады. Сондай-ақ, кез келген жиынға тривиальды топология (немесе индискретті топология) берілуі мүмкін, онда тек бос жиын мен бүкіл кеңістік ғана ашық болады. Осы топологиядағы әрбір тізбек және тор кеңістіктің кез келген нүктесіне жуысады. Бұл мысал жалпы топологиялық кеңістіктерде тізбектердің шектері міндетті түрде бірегей болмайтынын көрсетеді. Дегенмен, көбінесе топологиялық кеңістіктер Хаусдорф кеңістіктері болуы керек, онда шектік нүктелер бірегей болады.

Метрлік кеңістіктер

Метрикалық кеңістіктер метриканы, яғни нүктелер арасындағы қашықтықтың нақты анықтамасын қамтиды. Кез келген метрикалық кеңістікке метрикалық топология берілуі мүмкін, онда негізгі ашық жиынтықтар метрикамен анықталған ашық шарлар болып табылады. Бұл кез келген нормаланған векторлық кеңістіктегі стандартты топология. Шектелген өлшемді векторлық кеңістікте бұл топология барлық нормалар үшін бірдей болады. Нақты сандар жиынында топологияны анықтаудың көптеген тәсілдері бар. Нақты сандар жиынындағы стандартты топология ашық аралықтармен жасалады. Барлық ашық аралықтар жиыны топологияның базасын құрайды, яғни әрбір ашық жиын базадан алынған жиынтықтардың бірігімінен тұрады. Атап айтқанда, егер жиынның әрбір нүктесі үшін нөлдік емес радиусы бар ашық аралық болса, онда жиын ашық деп есептеледі. Жалпы алғанда, Евклидтік кеңістіктерге топология берілуі мүмкін. Евклидтік кеңістіктегі әдеттегі топологияда негізгі ашық жиынтықтар ашық шарлар болып табылады. Сол сияқты, комплекс сандар жиыны және де стандартты топологияға ие, онда негізгі ашық жиынтықтар ашық шарлар болып табылады.

Топологиялық кеңістіктердің жіктелуі

Топологиялық кеңістіктер олардың топологиялық қасиеттері бойынша, гомеоморфизмге дейін кеңінен жіктелуі мүмкін. Топологиялық қасиет – гомеоморфизмдер астында өзгермейтін кеңістік қасиеті. Екі кеңістік гомеоморфты емес екенін дәлелдеу үшін, олардың екеуінде де ортақ емес бір топологиялық қасиетті табу жеткілікті. Мұндай қасиеттерге байланыстылық, компакттылық және түрлі ажырату аксиомалары жатады. Алгебралық инварианттар туралы мәліметтер үшін алгебралық топологияны қараңыз.

Алгебралық құрылымды топологиялық кеңістіктер

Кез келген алгебралық нысан үшін дискретті топологияны енгізуге болады, онда алгебралық амалдар үздіксіз функциялар болып табылады. Кез келген мұндай шекті емес құрылым үшін, алгебралық амалдар үздіксіз болатындай, алгебралық амалдармен үйлесімді табиғи топология көбінесе болады. Бұл топологиялық топтар, топологиялық векторлық кеңістіктер, топологиялық сақиналар және жергілікті өрістер сияқты түсініктерге алып келеді.

Реттік құрылымы бар топологиялық кеңістіктер

Спектрлік: Кеңістік спектрлік болып табылады, егер және тек қана егер ол сақинаның негізгі спектрі болса (Хохстер теоремасы). Алдын-ала реттелу реті: Кеңістікте алдын-ала реттелу реті (немесе канондық реттелу реті) мыналай анықталады: егер және тек қана егер , мұнда Куратовски жабылу аксиомаларын қанағаттандыратын операторды білдіреді.